一种振动激励下多形态多功能的毯式机器人

1.本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种振动激励下多形态多功能的毯式机器人。


背景技术：

2.传统的机器人大多使用刚性材料制作，其主要的加工方式有车铣钻磨刨，主要的连接方式是角连接，螺钉连接，铆连接等，主要的传动方式是齿轮，涡轮，带轮传动等。通过以上加工，连接，传动等方式的组合，传统的机器人已经实现很多的精细化，专业化的功能，除此之外，配合复杂的电路控制传感等模块，传统的机器人也实现了一定的变形功能，从而实现了一定的功能扩展。
3.然而，随着机器人的功能逐渐复杂和精细，传统的加工方法在机器人的制作以及运动中的缺陷也逐渐被放大，例如由于传统材料大多采用金属材料等制作，这在一定程度上增加了制作轻质机器人的难度，同时由于刚性材料本身极大的弹性模量以及刚度，其在加工完成后很难变形，这使得传统机器人的功能大都非常单一，而且使得机器人的环境适应性，人机交互性也很差，难以实现复杂的运动模态。虽然采用繁杂的控制和驱动设备传统机器人可以实现一定程度的变形，但这也极大的增加了传统机器人的体积，重量以及能耗，而且所实现的有限的结构变形也大大削弱了机器人多功能性，环境适应性和人机交互性。而柔性材料本身有着较低的刚度，较低的弹性模量，这使得软体机器人加工非常方便，不需要特别复杂的机器设备。同时极佳的柔韧性使的软体机器人本身可以很轻松地变形成为不同的形状以及结构，这使得软体机器人可以自适应的贴合于环境，有着极高的环境适应性和人机交互性。虽然柔性材料制作的柔性机器人在一定程度上弥补了传统机器人的缺陷，实现了很多传统机器人难以实现的功能，但是在真实的环境中，传统软体机器人并不能完全适应各种环境并行使特定的功能，即在不同环境下改变自身形状以适应不同地形，因此，如何实现同一个软体机器人在不同地形中，可任意改变形状，适应当下环境，并行使特定的功能成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种振动激励下多形态多功能的毯式机器人，通过多个模块的协同作用自动切换为不同形状进而适应不同的场景，构型多变，驱动简单，功能多样。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种振动激励下多形态多功能的毯式机器人，其特征在于，包括：
7.变刚度基体，用于改变形状和刚度；
8.运动结构，用于变刚度基体改变形状后与接触面接触产生异性摩擦；
9.变形控制模块，用于调节变刚度基体在柔性状态时的形状；
10.刚度控制模块，用于调节变刚度基体变形后的刚度，维持变刚度基体变形后的形
状；
11.驱动模块，用于产生驱动力使驱动运动结构的斜足结构与接触面碰撞；
12.驱动控制模块，用于调节驱动力的幅值和频率，使得机器人与接触面发生相对移动，实现机器人在不同形状物体上运动。
13.具体的，变刚度基体为片层结构，包括上腔室和下腔室，变形控制模块对上腔室的内部气压进行调节用于改变变刚度基体的弯曲曲率，刚度控制模块对下腔室的内部气压进行调节用于维持变刚度基体变形后的形状。
14.进一步的，变刚度基体能够在柔性状态下实现弯曲、折叠、拉伸和扭曲变形。
15.具体的，变刚度基体采用气体驱动的变刚度材料制备而成。
16.具体的，运动结构沿变刚度基体的下表面轴向间隔设置，包含柔性基底面，柔性基底面上设置有多个斜足结构。
17.进一步的，斜足结构与柔性基底面的角度为0
°
～90
°
。
18.具体的，变形控制模块设置在变刚度基体上表面的一端，驱动控制模块设置在变刚度基体上表面的另一端，刚度控制模块设置在变刚度基体上表面的中部。
19.具体的，变刚度基体和运动结构为一体式结构。
20.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
21.本发明一种振动激励下多形态多功能的毯式机器人，各个模块分步控制，有助于本发明更易适应复杂地形，利用变刚度基体在低模量时易于变形的特性来贴合于接触面，进而确保机器人与接触面的良好接触，再利用刚度变化之后的高模量特性来确保激振力的有效传递驱动多足结构运动，从而实现良好的地形适应能力。
22.进一步的，变刚度基体为片层结构设计，可分为上腔式与下腔室，当变形控制模块打开气泵开关，此时上腔式的凸起部分充气，导致凸起的部分向内凹挤压，整体变刚度基体呈现弯曲，同时可以通过变形模块改变加入气体的量，进而控制变刚度基体的弯曲曲率，并且通过刚度控制模块控制下腔室的气量，故可维持整体变刚度基体的曲率，变形控制模块与刚度控制模块的分开设计，可以很好地实现了基体的弯曲曲率控制，相比于将变形控制模块与刚度控制模块的一体化设计，本发明操作更为简单，而且模块化一旦存在问题也便于排除故障与更换。
23.进一步的，变刚度基体能够在柔性状态下实现弯曲、折叠、拉伸和扭曲变形，这种柔顺变形的目的在于使得斜足能够在运动的过程中紧贴参照物，为更好地适应各种地形奠定了结构基础。
24.进一步的，变刚度基体可采用气体驱动的变刚度材料制备，这避免了需要使用刚性部件(例如电机等)来实现机器人的转动，可以保证机器人在常规状态下保持一定柔性，进而可以实现大的结构变形。
25.进一步的，运动结构沿变刚度基体的下表面轴向间隔设置，同时多个斜足结构间隔设置是为了降低腿的分布对机器人整体刚度的影响。机器人的刚度在很大程度上决定了机器人的变形能力，由于腿与基体相连，密集排布的腿在一定程度上会导致机器人整体过大，从而使得机器人难以变形或者极大的增加了变形所需要的力。
26.进一步的，斜足结构与柔性基底面的角度倾斜设计，可以保证机器人与接触面之间产生各向异性摩擦，从而产生定向运动的驱动力。此外，机器人运动的速度与斜足结构的
角度也有一定的关系，合适的角度才可以使机器人拥有最快的运动速度。
27.进一步的，各个模块均布在变刚度基体上，这是为了尽量保证机器人的驱动力可以均匀传递到各个部分，使得各个斜足受力均匀，保证了机器人各部分运动速度的一致性。从而尽量避免实时调整机器人的运动方向的需要。
28.进一步的，变刚度基体与运动结构可以合为一个整体，运动结构作用部分主要是足部，柔性基体主要是为了使得斜足结构紧密贴合于复杂地形，因此当其斜足结构直接分布于变刚度基体时也可以正常行使功能。
29.综上所述，本发明结构简单，材料成本低，易于制作，可扩展性强，可合理加入无线控制模块，实现该软体机器人的远程控制，而且合理的设计斜足结构可改变运行的速度与负载能力。
30.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
31.图1为本发明的结构示意图；
32.图2为负压调控结构刚度的变刚度基底的结构示意图；
33.图3为有限元模拟分析中振动激励下多形态多功能的毯式机器人斜足模型运动机理；
34.图4为本发明的另一种结构示意图；
35.图5为本发明机器人由平面构型——圆柱构型(半内凹)——圆柱构型(全内凹)的变形过程示意图；
36.图6为图4中机器人由平面构型转变为圆柱构型(半内凹)及转变构型后的运动场景示意图；
37.图7为图4中机器人由平面构型转变为圆柱构型及其运动场景示意图；
38.图8为本发明机器人由平面构型——圆柱构型(半外凸)——圆柱构型(全外凸)的变形过程示意图；
39.图9为图4机器人由平面构型转变为圆柱构型(全外凸)及其运动场景示意图。
40.其中：1.变刚度基体；2.运动结构；3.变形控制模块；4.刚度控制模块；5.驱动模块；6.驱动控制模块，7.下腔室，8.上腔室。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能
理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
45.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
46.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
47.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
48.本发明提供了一种振动激励下多形态多功能的毯式机器人，通过变形控制模块使得处于柔性片状的变刚度基体发生形状改变，从而使得运动结构贴合于接触面，再通过刚度控制模块调节变刚度基体的刚度使机器人保持改变之后的形状，进而通过驱动模块产生驱动力，驱动控制模块调节驱动力的幅值，频率等特性至合适值，从而使得机器人与接触面发生相对移动，因此机器人可以在不同形状的物体上运动。本发明机器人设计好初始结构之后通过多个模块的协同作用便可以自动切换为不同形状进而适应不同的场景，构型多变，驱动简单，功能多样，同时本发明机器人在初始结构时为柔性状态，可以卷曲，体积小重量轻，因而具有着良好的环境适应性以及人机交互安全性。
49.请参阅图1，本发明一种振动激励下多形态多功能的毯式机器人，包括变刚度基体1，运动结构2，驱动模块5，变形控制模块3，刚度控制模块4和驱动控制模块6。变形控制模块3黏贴至变刚度基体1上表面的前端，刚度控制模块4贴合于变刚度基体1上表面的中部，驱动控制模块6贴合于变刚度基体1上表面的后端，驱动模块5间隔设置在变刚度基体1的上表面，运动结构2间隔设置在变刚度基体1的下表面。
50.通过变形控制模块3使得处于柔性片状的变刚度基体1发生形状改变，从而使得运动结构2贴合于接触面，再通过刚度控制模块4调节变刚度基体1的刚度使机器人保持改变之后的形状，进而通过驱动模块5产生驱动力，驱动控制模块6调节驱动力的幅值，频率等特性至合适值，从而使得机器人与接触面发生相对移动，因此机器人可以在不同形状的物体上运动。
51.变刚度基体1在变形后可以将运动结构2的足部贴合于接触表面，利用运动结构2的结构不对称性，在与接触面接触时产生各项异性摩擦，从而产生一定方向的位移。
52.请参阅图2，变刚度基体1是一个能够改变刚度的片层结构，采用气体驱动的变刚度材料制备而成，包括上腔室7和下腔室8，上腔室7和下腔室8分别间隔设置在变刚度基体1的上侧和下侧，变形控制模块3，刚度控制模块4分别通过对上腔室7和下腔室8内部气压的独立调控以改变变刚度基体1的弯曲曲率并维持变形后的形状；
53.变刚度基体1能够改变刚度与形变，如圆柱形与片状，可根据特殊地形需要，变刚度基体1可由初始的平面状态，向上弯曲成斜足朝外的外凸式圆柱型形态，当然也可以向斜足方向成斜足朝内的内凹式圆柱形形态；由平面构型
‑
内凹式圆柱构型
‑
外凸式圆柱构型；变刚度基体1在柔性状态时易于弯曲，折叠，拉伸，甚至可以扭曲变形。在其变形为任意状态下，受到某种外部激励时刚度可以发生变化，进而将其形状保持为当下状态。
54.变刚度基体1利用弹性模量可以发生变化的材料制作而成。主要表现为受到外部激励后形状发生变化并能保持住变化之后形状的材料，例如在薄膜中封装的磁流体，光照后刚度变化的光致变形材料，以及形状记忆合金，形状记忆聚合物等，也可以是利用负压的方式调节的密闭封装结构。
55.运动结构2包含一个柔性基底面和多个与自身柔性基底平面成一定角度的斜足结构，其柔性基底面与变刚度基体紧密贴合；其制作方法可以通过注模或者3d打印等多种方式，简单便捷；
56.运动结构2采用橡胶、硅胶或pdms柔性/软物质材料支撑，或采用弹性模量能够发生变化的变刚度材料支撑，运动结构2中的斜足结构可根据不同地形需要改变其与变刚度基体1的角度，斜足结构与柔性基底面的角度为0
°
～90
°
。
57.变形控制模块3用于调控变刚度基体1在柔性状态时的形状；包含用于控制变刚度基体1变形所必需的电路，开关，控制单元等元器件。
58.刚度控制模块4用于变刚度基体变形后的刚度调节以维持其变形后的形状；包含用于控制变刚度基体1变形后刚度增大所必需的电路，开关，控制单元等元器件。
59.驱动模块5用于产生振动，从而使得运动结构中的斜足与接触面来回碰撞，由于在一次振动周期循环中斜足结构受到的向前摩擦力大于向后的摩擦力，从而产生向前的驱动力，使得软体机器人整体向前驱动；驱动模块5可以为电机，响应性智能材料等产生垂直振动的激振器，也可以为压电陶瓷，ipmc等可以往复收缩或者弯曲变形的面内变形型驱动器。
60.驱动控制模块6用于调控驱动力的幅值，频率等物理特性，驱动控制模块6包含用于调节驱动模块的驱动力大小，频率等物理特性时所必需的电路，开关，控制单元等元器件；
61.通过形状的改变，可实现不同地形的爬行，如改变柔性基底形状可使得该软体机器人在管道内壁或者外壁爬行，从而使机器人能够表现出良好的爬行能力。
62.变刚度基体1与运动结构2可以合为一个整体，运动结构2作用部分主要是足部，柔性基体主要是为了使得斜足结构紧密贴合于复杂地形，因此当其斜足结构直接分布于变刚度基体时也可以正常行使功能。
63.变形控制模块3，刚度控制模块4，驱动控制模块6，以及驱动模块5可以整合为一个整体且位置分布可以根据实际需求进行改变。
64.本发明的软体机器人可作为集群机器人，其单独使用时仍具备以上功能，也可以组装在一起，组装之后的软体机器人仍具有良好的柔韧性和可拉伸性能。
65.(1)相比于传统机器人，本发明所制作的机器人通过自身整体的大变形来形成对接触面的良好接触，从而确保在不同地形上的运动能力。机器人实现移动的力是由运动结构与接触面的相互作用而产生的，传统机器人主要通过部分执行模块的伸长缩短或者弯曲变形来实现对复杂环境的良好接触，由于相应的执行模块数量有限，控制复杂，这使得其对复杂地形的适应能力有限。本发明利用变刚度基体在低模量时易于变形的特性来贴合于接触面，进而确保机器人与接触面的良好接触，再利用刚度变化之后的高模量特性来确保激振力的有效传递驱动多足结构运动，从而实现良好的地形适应能力。
66.(2)相比于传统机器人，本发明所使用的运动结构可以确保机器人的变形不受干扰并且可以在变形之后有效的实现运动。传统机器人在实现变形并具备运动能力时，需要通过复杂的控制单元实现主体尺寸的变化以及对多个分散的末端执行器的协同控制，并利用末端执行器与接触面的主动作用来实现移动，这在一方面限制了其自身的变形能力，另一方面由于运动部件数量和变形有限，难以确保变形后与接触面的有效接触。而本发明的运动结构所包含的柔性基底面具有低模量的材料特性，多足结构具有分散式的分布特征，均不会影响到机器人的变形能力，另一方面由于多足结构的数量和尺寸都易于调整并且主要通过被动变形实现运动，因此在复杂环境中的运动能力也可以得到极大的保证。
67.(3)相比于传统机器人，本发明不仅可以存在毯式平面构型，也可以通过变形实现圆环式，波浪式构型等，从而可以实现蠕动，爬行，滚动等多种运动模态；
68.(4)相比于传统机器人，本发明不仅可以在平面斜坡等常规地形运动，也可以通过变形后的圆环等构型实现在管道内部，管道外部，台阶，山地，沙地，沼泽等复杂极端地形上的运动。
69.(5)相比于传统机器人，本发明因其特殊的柔性材料，展现了良好的人机交互性，在工作环境汇总，能够减少因操作人员不当操作而造成机器对人产生的不可逆损伤；
70.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
71.请参阅图3，为进一步验证本发明运动机制的可行性，通过在仿真软件abaqus中建立软体机器人的单周期内的单个斜足结构模型可知，在前2.8毫秒为施加振动力的过程，此时斜足结构有向后的运动趋势，因此所受的摩擦力向前，而在2.8毫秒之后，此时释放掉施加的振动力，斜足结构因其自身的恢复变形导致摩擦力向后，由于振动力的施加导致法向接触力增加，从而在2.8毫秒之前的时间里摩擦力积蓄的能量大于2.8毫秒之后的向后的摩擦力能量，因此斜足结构可以在施加振动力之后向前行走。
72.请参阅图4，该图为内凹式圆柱形机器人平面状态示意图，图5为展示了图4的平面状态机器人变为内凹式圆柱形机器人变化过程示意图，根据图示，变形基体在刚度控制模
块与变形控制模块的共同作用下，首先是实现了从平面状态到弧形状态，在弧形状态下可沿管道外壁进行攀爬，此时机器人基本不受管道的直径制约，但一般可攀爬管道与地平线夹角较小的管道，示意图如图6所示，对于垂直于或者近似垂直于地平线的管道，变刚度基体可进一步变形，并最终达到内凹式圆柱形状态，在该形态下可以攀爬管径小于内凹式圆柱形内径的管道，具体如图7所示。
73.相比于传统的多足类软体机器人，本发明提出的振动激励下多形态多功能的变刚度机器人优势在于可通过变形控制模块3以及刚度控制模块4对变刚度基体1进行合理性控制，对于不同地形可采用不同的形状不同刚度，如进行管道内部的疏通，监测等情况，可将其变形为可攀爬内壁的多足类软体机器人，即将最初的毯式状态转变为圆柱形状态，通过驱动模块5施加驱动力，使得该软体机器人在管道内部进行爬行，具体变化过程如图8和图9所示，而且，对于一些特殊“凸起”地形或者半圆弧地形，可将其转变为半圆弧截面形状，以实现在“凸起”等特殊地形运动，具体如图6所示，同样，本发明也可通过变形应用于对于一些位于高处、狭小等区域的管道外部清洁，如图9所示。
74.综上所述，本发明一种振动激励下多形态多功能的毯式机器人，通过变形控制模块使得处于柔性片状的变刚度基体发生形状改变，能够使得运动结构贴合于各种接触面，并且通过刚度控制模块调节变刚度基体的刚度，能够使得机器人保持稳定的运动形态，该机器人的驱动控制模块可以调节驱动力的幅值，频率等特性以适应不同地形，从而使得机器人与接触面发生相对移动。本发明机器人设计好初始结构之后通过多个模块的协同作用便可以自动切换为不同形状进而适应不同的场景，构型多变，驱动简单，功能多样，同时本发明机器人在初始结构时为柔性状态，可以卷曲，体积小重量轻，具有良好的环境适应性以及人机交互安全性。
75.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。